CC BY
96
УДК: 550.38, 004.9, 519.6, 528.9
ВАК: 25.00.10, 25.00.35, 05.13.18, 25.00.33
РИНЦ: 37.15.00, 20.53.00, 36.33.00
ТЕХНОЛОГИЯ КАРТОРГРАФИРОВАНИЯ ГЛАВНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ В СРЕДЕ ГИС И АТЛАС МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ
А. Е. Березко, к. т. н., зав. лаб. развития информационного общества Тел.: (495) 930-05-46, e-mail: a.berezko@gcras.ru А. Д. Гвишиани, чл.-корр., директор Тел.: (495) 930-05-46, e-mail: adg@gcras.ru Е. А. Жалковский, д. т. н., зав. лаб. цифровой картографии Тел.: (495) 930-05-46, e-mail: e.jalkovsky@gcras.ru А. А. Соловьев, к. ф.-м. н., в. н. с. лаб. развития информационного общества Тел.: (495) 930-05-46, e-mail: a.soloviev@gcras.ru А. В. Хохлов, д. ф.-м. н., в. н. с. лаб. геоинформатики Тел.: (495) 930-05-46, e-mail: fbmotion@gmail.com Учреждение Российской академии наук Геофизический центр РАН
http://www.gcras.ru М. Мандеа, н. с. отд. космической и планетарной геофизики Тел.: +33-1-57-27-8493, e-mail: mioara@ipgp.fr Парижский институт физики Земли (Франция) http://www.ipgp.fr
The paper describes Atlas of Earth Magnetic Field, which provides thorough and versatile study of evolution and spatial-temporal variations of the geomagnetic field from 1500 to 2010. The paper gives description of technology of creating maps of the Earth main magnetic field, which is the main focus of the Atlas content.
В статье описывается технология создания в среде ГИС карт главного магнитного поля Земли, которые занимают важнейшее место в содержании атласа магнитного поля Земли. Атлас позволит тщательно и разносторонне изучить эволюцию и пространственно-временные вариации геомагнитного поля с 1500 г. по 2010 г.
Ключевые слова: геоинформатика, ГИС, геомагнетизм, моделирование, цифровая картография.
Key words: geomagnetism, geoinformatics, modeling, digital cartography.
Введение
В Геофизическом центре РАН создается атлас магнитного поля Земли (МПЗ) (Атлас), включающий коллекцию цифровых карт главного магнитного поля Земли (ГМПЗ) с 1500 по 2010 гг. Атлас представляет собой унифицированный набор физических, общегеографических, тематических, в том числе исторических карт МПЗ, а также справочных (текстовых и табличных) материалов, позволяющих тщательно и разносторонне изучать проблему МПЗ с 1500 г.
Авторами была разработана технология создания в среде ГИС цифровых карт пространственно-временных вариаций ГМПЗ за 1500-2010 гг. по историческим и современным данным с использованием современных и исторических моделей. Данная статья содержит описание геоинформационной основы для построения геомагнитных карт в рамках Атласа, который будет выпущен как в традиционном печатном виде, так и в электронном.
Атлас создается впервые в мире и представляет собой фундаментальный картографический продукт с наиболее полными и научно обоснованными характеристиками картографируе-
мого явления - геомагнетизма, а также содержит результаты как исторического, так и современного изучения МПЗ. Основной раздел Атласа посвящен картографированию характеристик магнитного поля Земли и охватывает следующие вопросы:
1) ранние попытки картографирования магнитного поля Земли (ХУП-Х1Х вв.);
2) картографирование главного магнитного поля Земли за 15002010 гг. комплексными методами;
3) картографирование аномального магнитного поля Земли;
4) картографирование распределений вариаций магнитного поля Земли во время мировых бурь;
5) картографирование распределений геомагнитных индексов во время мировых бурь.
1. Моделирование ГМПЗ и исходные данные
В исторический период наблюдений данные о МПЗ характеризовались разным качеством и собирались в процессе полевых наблюдений, в основном в районах, представляющих практический прикладной интерес, например вдоль морских путей [1] (рис. 1а). С началом инструментального периода наблюдений сбор высокоточных данных осуществляется в геомагнитных обсерваториях, координаты которых распределены очень неравномерно. На данный момент самая крупная мировая сеть наземных обсерваторий ИНТЕРМАГНЕТ [2] насчитывает более 100 обсерваторий (рис. 1б). Представительность данных о МПЗ качественно изменилась с началом космической эпохи: появилась возможность измерять поле в точках, проекции на земную поверхность которых дают покрытие геоида с высокой плотностью [3] (рис. 1в).
(б)
Рис. 1. Пространственное распределение геомагнитных измерений: измерение склонения в 16001649 гг. (а), геомагнитные обсерватории ИНТЕРМАГНЕТ в 2009 г. (б), траектория полета спутника CHAMP в районе северного полюса 19-22 августа 2000 г. (в)
Таким образом, при картографировании магнитных данных важной является задача пространственной и временной интерполяции данных. Основной метод принадлежит К. Ф. Гауссу, который практически без изменений используется на протяжении полутора веков. По наблюдениям за магнитным полем в интервале времени сначала восстанавливают вид разложения по-
тенциала этого поля по сферическим гармоникам на поверхности сферы, далее используют продолжение значений на границе-сфере на пространство. Подбор коэффициентов разложения ведется методом наименьших квадратов, точность которого существенно зависит от распределения точек на сфере.
Применительно к современным наблюдениям из космоса, коэффициенты могут быть найдены с большой точностью. Полученные таким образом коэффициенты разложения ГМПЗ позволяют с высокой точностью картографировать вектор -ное поле в любой точке земной поверхности. Соответствующая модель усредненного поля называется Международным эталоном геомагнитного поля, МЭГП (International Geomagnetic Reference Field, IGRF) Международной ассоциации по
геомагнетизму и аэрономии, МАГА (International Association of Geomagnetism and Aeronomy, IAGA), а соответствующий набор коэффициентов - коэффициентами IGRF [4]. Модель IGRF позволяет рассчитывать характеристики ГМПЗ за период с 1900 по 2010 гг. с временным шагом 5 лет. Точность коэффициентов IGRF неоднократно проверялась прямыми измерениями в обсерваториях.
Следует отметить, что определение значений исторического магнитного поля Земли за период с 1500 по 1900 гг. затруднено и коэффициенты соответствующих моделей являются предметом обсуждения в научном сообществе. Это вызвано тремя главными обстоятельствами:
1) точки наблюдений распределены в высшей степени неравномерно, поскольку в исторические эпохи XVI-XVIII вв. основные наблюдения велись лишь вдоль торговых морских путей (рис. 1а);
2) неточности имеются в самих наблюденных данных, что связано с качеством использованных для наблюдений приборов;
3) ранние наблюдения за магнитным полем состояли в изучении не всего магнитного вектора, а лишь его направления, чем вызвана неопределенность в выборе длины вектора поля.
Впрочем, последнее обстоятельство, препятствовавшее построению моделей магнитного поля в исторический период, с недавних пор было преодолено благодаря некоторым гипотезам о суммарной энергии поля в различные интервалы исторического времени, не вызвавшим особенных споров [5]. Для систематизации всех наблюдений, полученных с 1510 по 1930 гг., и проверки их на грубые ошибки, группой исследователей А. Р. Т. Джонкерсом, А. Джексоном и А. Мюррей [6] была проведена огромная работа, результатами которой пользовались при составлении моделей на этот период все научные группы. Известно несколько современных моделей, позволяющих реконструировать поле за указанный период; при создании Атласа мы использовали те из них, которые получили наибольшее признание в научной среде [1, 7]. На самом деле отличия в значениях моделируемого магнитного вектора по разным моделям исторического ГМПЗ не столь уж значительны, однако вопрос о точности каждой из них остается открытым.
Собственно вычислительные методы, использовавшиеся для нахождения коэффициентов, имеют точность, намного превосходящую точность данных (это касается и моделей IGRF последнего времени). Ошибка вычислений оказывает пренебрежимо малое влияние на точность модели.
Разработка картографического раздела Атласа, посвященного ГМПЗ, основана на данных, которые можно разделить на четыре категории [8]:
1) значения коэффициентов разложения ГМПЗ по сферическим гармоникам за период 1900-2010 гг.;
2) значения коэффициентов разложения ГМПЗ по сферическим гармоникам за период 1500-1900 гг., полученные современными расчетами;
3) значения коэффициентов разложения ГМПЗ по сферическим гармоникам за период 1500-1900 гг., полученные в XIX в.;
4) данные геомагнитных наблюдений, полученные в 1510-1930 гг.
Первая категория включает в себя данные IGRFIAGA. Они представляют собой набор коэффициентов разложения до степени 13 для периода с 1900 по 2010 гг. с шагом по времени в 5 лет.
Вторая категория содержит коэффициенты, полученные в рамках принятых мировым сообществом по геомагнетизму нескольких современных подходов к моделированию ГМПЗ исторического периода. Основными моделями, используемыми для создания карт компонент ГМПЗ за 1500-1900 гг., являются CALS3K.3 [7] и gufm1 [1]. Первая модель включает в себя коэффициенты до степени 10 и покрывает временной интервал с 1000 г. до н. э. по 1990 г. н. э. Вторая модель содержит значения коэффициентов до степени 14 и позволяет реконструировать ГМПЗ за период времени с 1590 по 1990 гг. с шагом по времени в один год.
Третья категория включает в себя коэффициенты, рассчитанные основателем метода разложения ГМПЗ по сферическим гармоникам К. Ф. Гауссом, а также несколькими его современниками, в частности Г. П. Г. Фритше [9]. Модель последнего содержит в себе коэффициенты до степени 7 и относится к 1600, 1650, 1700, 1780, 1842 и 1885 гг.
Четвертая категория представляет собой базу данных исторических геомагнитных наблюдений, произведенных в 1510-1930 гг., которые в течение 20 лет собирались в единый массив многими учеными со всего мира. Эта деятельность возглавлялась английскими учеными, которым удалось собрать самую большую в мире коллекцию подобных данных [6]. Данные включают в себя 151 560 значений склонения, 19 525 значений наклонения и 16 219 значений напряженности поля. Упомянутая выше модель gufm1 была рассчитана на основе этого набора данных.
Для восстановления вектора магнитного поля в точке земной поверхности и нанесения на карту его числовых характеристик необходимо использовать коэффициенты разложения магнитного потенциала и смоделировать значения всех сферических гармоник, входящих в разложение. Далее градиент потенциала, который является линейной комбинацией гармоник с постоянными коэффициентами, нужно найти исходя из явных формул для дифференцирования сферических гармоник по их аргументам. Эта задача достаточно хорошо известна с вычислительной стороны, и разработка соответствующего алгоритма с дополнительной проверкой его относительно других подобных алгоритмов была выполнена в рамках создания Атласа. Исходной информацией для программы расчета значений поля были: координаты расчетной точки, высота над уровнем моря и дата расчета. На основании полученной информации был сформирован массив данных, содержащих опорные точки с информацией о составляющих геомагнитного поля.
2. Картографирование компонент главного магнитного поля Земли за период 15002010 гг.
Технология создания в среде ГИС карт пространственно-временных вариаций ГМПЗ включает в себя следующие основные этапы:
1) расчет компонент магнитного поля в узлах заданной географической сетки;
2) построение изолиний;
3) картографирование изолиний.
Реализация этой ГИС-технологии подразумевает создание базы
геоданных [10, 11], на которых основывается картографирование характеристик ГМПЗ. Ниже приведены основные разделы созданной
БД:
1) значения коэффициентов разложения ГМПЗ по сферическим гармоникам методом Гаусса (формат ASCII);
2) матрицы рассчитанных значений компонент ГМПЗ в точках на сфере (формат ASCII GRID);
3) цифровые растровые карты компонент ГМПЗ (формат ESRI Raster);
4) цифровые карты изолиний компонент ГМПЗ (формат ESRI Shapefile);
5) вспомогательные картографические материалы (формат ESRI Shapefile).
Основой для создания карт компонент ГМПЗ за период 1900-2010 гг. послужили данные IGRF [4], которые представляют собой значения коэффициентов разложения Гаусса степени 10-13 для расчета параметров ГМПЗ за 1900-2010 гг. с шагом 5 лет [4].
Для создания карт компонент ГМПЗ за период 1600-1900 гг. использовались полученные в рамках модели gufm1 данные, предоставленные Британской геологической службой, Великобритания [1]. Данные представляют собой значения коэффициентов разложения Гаусса до степени 14 для расчета параметров ГМПЗ за 1590-1990 гг. с шагом 1 год. Коэффициенты были рассчитаны на основе всех собранных геомагнитных измерений, полученных мореплавателями и учеными с 1510 г.
Основой для создания карт компонент ГМПЗ за период 1500-1600 гг. послужили полученные в рамках модели CALS3K.3 данные, предоставленные Геоисследовательским центром в г. Потсдаме, Германия [7]. Данные представляют собой значения коэффициентов разложения Гаусса до степени 10, рассчитанные на основе собранных археомагнитных данных и данных по осадочным породам.
При подготовке карт ГМПЗ использовались коэффициенты разложения до 10 степени в
рамках модели IGRF, до степени 6 в рамках модели gufm1 и до степени 10 в рамках модели CALS3K.3. Компоненты ГМПЗ рассчитывались в узлах географической сетки с шагом 0.2 градуса по широте и долготе. Для периода 1900-2010 гг. временной шаг составлял 5 лет, для периода 1500-1600 гг. и 1600-1900 гг. - 25 лет. В каждом узле сетки были рассчитаны семь компонент ГМПЗ: склонение, наклонение, три осевые проекции и проекция на касательную к геоиду плоскость вектора напряженности, модуль вектора напряженности. Расчетная высота над уровнем океана равнялась нулю. Вычисления производились в среде MATLAB R2008b; формат файлов с результатами, так называемый ASCII GRID, совместим с большинством геоинформационных систем. Каждый файл включает в себя набор сеточных значений определенной компоненты ГМПЗ за определенную эпоху, в заголовке находится сопроводительная информация (рис. 2).
<NCOLS ххх> CNROWS ххх> -iXLLCENTER XXX -iYLLCENTER XXX -iCELLSIZE ХХХ>
{nodata_value xxx} row 1 row 2
row n
XLLCORNER XXX> YLLCORNER XXX>
Рис. 2. Структура файла с результатами формата ASCII GRID
s я
!"
I
ийийыи
M
а) б)
Рис. 3. Примеры визуализации в среде ArcGIS 9.3.1. растровых карт модуля вектора напряженности ГМПЗ за 1905 г. согласно модели IGRF (а) и за 1600 г. согласно модели gufm1
Полученные матрицы значений в дальнейшем использовались для генерации в среде ГИС соответствующих цифровых растровых карт компонент ГМПЗ. Для этого использовались средства ПО ArcGIS 9.3.1. Для автоматической генерации растровых карт (рис. 3) на основе множества файлов ASCII GRID в среде ArcGIS был разработан batch-модуль. В результате были получены 126 карт (7 компонент, 18 расчетных лет) для периода 1500-1900 гг. и 161 карта (7 компонент, 23 расчетных года) для 1900-2010 гг.
(а) (б)
Рис. 4. Пример визуализации в среде ArcGIS 9.3.1. карт изогон ГМПЗ за 1935 г. (а) и изодинам модуля вектора напряженности ГМПЗ за 1600 г. (б)
На базе полученных растровых карт методом линейной интерполяции были сгенерированы цифровые карты изолиний соответствующих компонент ГМПЗ (рис. 4). Расчет производился средствами ПО ArcGIS 9.3.1. Шаги рассчитанных изодинам составляли 1 мкТл для восточной компоненты и 2 мкТл для северной, вертикальной, горизонтальной компонент и модуля вектора напряженности. Шаг рассчитанных изогон и изоклин составлял 5 градусов. Изодинамы полной напряженности, ее северной, восточной, вертикальной и горизонтальной составляющих, изогоны магнитного склонения и изоклины магнитного наклонения ГМПЗ построены как непрерывные линии.
В соответствии с требованиями «Общих редакционных указаний по составлению и подготовке к изданию карт» для цифровых карт ГМПЗ были выбраны и обоснованы проекции и масштаб картографирования, условные знаки и зарамочное оформление. Для глобального картографирования смоделированных компонент ГМПЗ в Атласе используется цилиндрическая проекция Миллера с масштабом 1:120 000 000. На цифровой картографической основе отображены границы и береговая линия государств, континенты, острова и океаны. Вспомогательные элементы оформления карт включают в себя: название карты, рамку, географическую основу, меридианы, параллели, экватор, магнитный экватор. Зарамочное оформление включает в себя: легенду, условные обозначения, год составления, составителей.
Окончательным этапом подготовки была генерация карт в автоматическом режиме. На картах приведены наложенные друг на друга соответствующие рассчитанные компоненты ГМПЗ в виде изолиний, относящихся к трем соседним магнитным эпохам (напр., 1600, 1625, 1650; 1650, 1675, 1700; ...). Каждая последующая карта пересекается с предыдущей по одной эпохе (рис. 5). Программный модуль для автоматической генерации карт был разработан в среде ArcGIS 9.3.1. на языке программирования Visual Basic. В качестве исходных данных модуль использует рассчитанные изолинии компонент ГМПЗ и картографический шаблон, определяющий целиком оформление всех генерируемых карт. Таким образом, в итоге получилось 56 карт для периода 1500-1900 гг. (расчетный шаг по времени - 25 лет) и 77 карт для периода 1900-2010 гг. (расчетный шаг по времени - 5 лет).
Заключение
Технология ГИС, описанная в статье, позволяет быстро и эффективно картографировать любые характеристики магнитного поля Земли - как смоделированные, так и наблюденные. При этом система условных обозначений и прочее оформление, необходимое для адекватного отображения созданных карт, генерируется автоматически согласно разработанному шаблону. По указанной технологии также были созданы карты векового хода ГМПЗ, движения магнитных полюсов, геомагнитных индексов и вариаций ГМПЗ в период мировых магнитных бурь, а также карты аномалий магнитного поля Земли.
Помимо основного картографического раздела, посвященного пространственно-временным вариациям МПЗ, Атлас также включает другие сопроводительные материалы. В частности, в Атласе приведены карты источников данных, относящихся к изучению магнитного поля в архео- и палеоэпохи, в исторические эпохи с 1500 по 1900 гг., а также с 1900 г., вклю-
члгШЩ4а us ницщн 1Ч1И.
Рис. 5. Пример оформленной в средеАгсСШ 9.3.1. карты магнитного склонения ГМПЗ по трем периодам: 1500, 1525, 1550 гг. - согласно модели СЛЬБЗК.З (проекция Миллера цилиндрическая)
чая карты расположения мировых геомагнитных обсерваторий и траекторий спутников, осуществляющих магнитную съемку. В число описательных разделов Атласа входят разделы, посвященные теоретическим и практическим аспектам исследования магнитного поля Земли, технологиям создания карт и обзору взаимодействия магнитного поля Земли с биосферой. Кроме того, Атлас содержит введение, глоссарий и список литературы по разделам. Общий объем Атласа составит примерно 600-700 листов. Указанные разделы и коллекции карт ориентированы на применение Атласа в практической деятельности.
Литература
1. Jackson A., Jonkers A. R. T., Walker M. Four centuries of geomagnetic secular variation from historical records // R. Soc. Lond. Philos. Trans. Ser. A Math. Phys. Eng. Sci., 2000. Vol. 358. P. 957-990.
2. http://www.intermagnet.org.
3. http://www-app2.gfz-potsdam.de/pb1/op/champ.
4. http://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html.
5. Hulot G., Khokhlov A., LeMouel J.-L. Uniqueness of mainly dipolar magnetic fields recovered from directional data // Geophys. J. Int., 1997. Vol. 129. P. 347-354.
6. Jonkers A. R. T., Jackson A., Murray A. Four centuries of geomagnetic data from historical records // Reviews of Geophysics, 2003. Vol. 41. No. 2. P. 1006.
7. Korte M., Donadini F., Constable C. Geomagnetic Field for 0-3ka, Part II: A new Series of Time-Varying Global Models // Geochem., Geophys. Geosys, 2009. 10, Q06008, doi:10.1029/2008GC002297.
8. Zhalkovsky E. A., Bondar T. N., Golovkov V. P., Khokhlov A. V., Nikiforov V. I., Berezko A. E., Solo-viev A. A., Bolotsky E. S. Initial data for Atlas of Earth's main magnetic field // Russ. J. Earth. Sci., 2009. 11, ES2008, doi:10.2205/2009ES000412.
9. Fritsche H. P. H. Die Elemente des Erdmagnetismus für die Epochen 1600, 1650, 1700, 1780, 1842 und 1885, und ihre saecularen Änderungen: berechnet mit Hülfe der aus allen brauchbaren beobachtungen abgeleiteten Coeffizienten der Gaussischen «Allgemeinen Theorie des Erdmagnetismus». - 1899. - 112 с.
10. Вершинин А. В., Серебряков В. А., Ряховский В. М., Дьяконов И. А., Динь ле Дат, Шкотин А. В., Шульга Н. Ю. Создание среды интеграции распределенных источников пространственных данных и приложений // Открытое образование, 2008. № 4. С. 9-16.
11. Горячев Н. А., Голубенко И. С., Палымский Б. Ф., Зинкевич А. С. ГИС в геологических исследованиях Северо-Востока // Открытое образование, 2008. № 4. С. 73-78.
УДК 004.6; 551.46 ВАК 25.00.28 РИНЦ 20.00.00
СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАЗЕМНЫХ ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЙ И СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ В ЗАДАЧЕ МОНИТОРИНГА ЗАЛИВА ПЕТРА ВЕЛИКОГО
ЯПОНСКОГО МОРЯ
В. А. Дубина, к. г. н., старший научный сотрудник Тел.: (4232) 31-28-54, e-mail: dubina@poi.dvo.ru
Л. М. Митник, д. ф.-м. н., зав. отделом Тел.: (4232) 31-28-54, e-mail: mitnik@poi.dvo.ru В. К. Фищенко, к. т. н., зав. отделом Тел.: (4232) 31-21-31, e-mail: fischenko@poi.dvo.ru О. Г. Константинов, к. ф.-м. н., ведущий научный сотрудник Тел.: (4232) 31-28-54, e-mail:olegkon@poi.dvo.ru Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН http://www.poi.dvo.ru/rus/index.html Since August 2007 a video monitoring system has been developed as a part of information and telecommunication infrastructure of Peter the Great Bay based on the remotely controlled ip-cameras. Video data together with the satellite and contact measurements are used for on-line monitoring of the oceanic phenomena in the shore zone of the Bay.
С августа 2007 г. в заливе Петра Великого как часть информационно-телекоммуникационной инфраструктуры разворачивается система видеомониторинга, основанная на сети дистанционно управ-
